Bài viết Áp dụng phương pháp chuẩn hóa k0-INAA để phân tích hàm lượng nguyên tố Fe trong mẫu đất trình bày quy trình phân tích hàm lượng sắt (Fe) trong mẫu đất bằng phương pháp chuẩn hóa k0 - INAA. Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Fe chứa trong đất ở vị trí lấy mẫu khá thấp so với hàm lượng trung bình, do đó cần bổ sung sắt cho đất trước khi tiến hành trồng cây.
Trang 1Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 53-59 Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 91-97 91 53
ĐỂ PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG NGUYÊN TỐ Fe TRONG MẪU ĐẤT
Nguyễn Thị Quỳnh Uyên
Trường Đại học Phú Yên Email: nguyenquynhuyen@pyu.edu.vn Ngày nhận bài: 13/05/2022; Ngày nhận đăng: 20/06/2022
Tóm tắt
Trong INAA thì phương pháp chuẩn hóa k 0 (k 0 -INAA) được xem là phương pháp tối
ưu trong việc phân tích hàm lượng nguyên tố hóa học Đây là phương pháp đơn giản không cần phân hủy, mẫu phân tích được đem đi chiếu xạ và đo sau một thời gian nhất định tùy thuộc vào thời gian sống của đồng vị phóng xạ nguyên tố cần phân tích trong cùng điều kiện với mẫu chuẩn Phương pháp phân tích này thường được sử dụng để phân tích hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu môi trường, địa chất, khảo cổ… Trong bài báo này, chúng tôi xin trình bày quy trình phân tích hàm lượng sắt (Fe) trong mẫu đất bằng phương pháp chuẩn hóa k 0 - INAA Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Fe chứa trong đất ở vị trí lấy mẫu khá thấp so với hàm lượng trung bình, do đó cần bổ sung sắt cho đất trước khi tiến hành trồng cây
Từ khóa: Phân tích kích hoạt neutron, phương pháp chuẩn hóa k 0 , k 0 -INAA, phân tích hàm lượng sắt
Application of standardization k0-INAA method to analyze
the element Fe content in the soil samples
Nguyen Thi Quynh Uyen
Phu Yen University Received: May 13, 2022; Accepted: June 20, 2022
Abstract
The standardization k 0 -INAA method is considered the optimal method in analyzing chemical element content This is a simple method that does not require decomposition, the analyzed sample is irradiated and measured after a certain time depending on the life time
of the radioactive isotope of the element to be analyzed under the same conditions as standard sample This analytical method is often used to analyze the content of elements in environmental, geological, and archaeological samples In this article, I would like to present the process of analyzing iron (Fe) content in soil samples using the k 0 -INAA method The analysis results show that the Fe content in the soil at the sampling location is quite low compared to the average content, therefore it is necessary to add some iron to the soil before planting
Keywords: Instrumental Neutron Activation Analysis, k 0 -INAA, k 0 -standardization method, iron content analysis
Trang 2Tạp chí Khoa học – Trường Đại học Phú Yên, Số 30 (2022), 53-59
54
92 Tạp chí Khoa học – Trường Đại học Phú Yên, Số 30 (2022), 91-97
1 Giới thiệu
Phân tích kích hoạt neutron (NAA
– Neutron Activation Analysis) là một
phương pháp phân tích xác định thành phần
nguyên tố hóa học trong mẫu bằng cách
chiếu một chùm hạt neutron vào mẫu cần
phân tích tạo nên các đồng vị phóng xạ
trong vật liệu Neutron khi đi vào mẫu thì
bị hạt nhân nguyên tử bắt giữ và chuyển
sang trạng thái kích thích, ngay sau đó hạt
nhân kích thích bị phân rã và phát ra tia
phóng xạ đặc trưng về: loại bức xạ phát ra,
năng lượng của bức xạ, và thời gian bán rã
Xác định các bức xạ đặc trưng này ta có thể
xác định một cách định tính các thành phần
nguyên tố có trong mẫu Để xác định định
lượng hàm lượng nguyên tố đó trong mẫu
ta tiến hành đo hoạt độ phóng xạ của đồng
vị sinh ra do phản ứng hạt nhân dưới điều
kiện không đổi sẽ tỉ lệ với hàm lượng
nguyên tố trong mẫu, dựa vào tính chất này
ta sẽ xác định nồng độ nguyên tố đó trong
mẫu Trong phân tích kích hoạt neutron, có
3 loại nguồn neutron thường được sử dụng:
nguồn đồng vị, máy gia tốc, và lò phản
ứng Trong đó nguồn neutron từ lò phản
ứng hạt nhân được sử dụng phổ biến nhất vì
có thông lượng neutron cao cho phép xác
định khoảng 70 nguyên tố trong bảng hệ
thống tuần hoàn
Phương pháp phân tích kích hoạt
neutron bao gồm: kích hoạt neutron dụng
cụ (INAA - Instrumental Neutron
Activation Analysis) và kích hoạt neutron
có xử lý mẫu (RNAA - Radiochemical
Neutron Activation Analysis) Phân tích
kích hoạt neutron dụng cụ là phương pháp
đơn giản không cần phân hủy mẫu chiếu xạ
mà chỉ để nguội sau một thời gian nhất định
tùy thuộc vào thời gian sống của đồng vị
phóng xạ nguyên tố cần phân tích rồi tiến
hành ghi phổ gamma của mẫu phân tích và mẫu chuẩn trong cùng điều kiện Đây là phương pháp phân tích không hủy mẫu với
độ nhạy và độ chính xác cao, đồng thời có khả năng xác định đa nguyên tố trong mẫu INAA đưa ra 4 phương pháp chuẩn hoá: tuyệt đối, tương đối, chuẩn đơn và k-zero Trong đó phương pháp k-zero của INAA (k0-INAA) được De Corte và A Simonits giới thiệu năm 1975, có thể khắc phục các nhược điểm của phương pháp tuyệt đối và phương pháp chuẩn đơn (F De Corte & A Simonits, 1987) Đây được đánh giá là phương pháp phân tích mẫu hiện đại, chính xác và có độ tin cậy cao Hơn 70% các phòng thí nghiệm phân tích của các lò phản ứng hạt nhân trên thế giới đều dùng phương pháp phân tích này để phân tích định tính cũng như định lượng các nguyên tố, đặc biệt khi nghiên cứu một số đối tượng như bài toán môi trường, địa chất, khảo cổ…
Hệ số k0 được De Corte và A Simonits xác định bằng thực nghiệm bằng kích hoạt neutron trong lò phản ứng và đã đưa ra thư viện các hằng số k0 đối với vàng ( k0,Au) thông qua phản ứng 197Au(n,)
198Au vào năm 1989 cho tất cả các đồng vị với độ chính xác cao ( (F De Corte
& A Simonits, 1989, 2003) Hệ số k0 đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán hàm lượng của các nguyên tố có trong mẫu phân tích Khi biết chính xác điều kiện chiếu, hệ
đo và hệ số k0 thì chiếu mẫu cùng một lúc với một mẫu chuẩn so sánh duy nhất
2 Phương pháp phân tích kích hoạt chuẩn hóa K 0
Hàm lượng nguyên tố a có thể thu được bằng việc chiếu kèm mẫu và một monitor thông lượng chuẩn (kí hiệu m) được xác định theo phương trình sau (F De Corte & A Simonits, 1987):
Trang 3Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 53-59 Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 91-97 5593
*
N / t
G f G Q ( ) 1
w.S.D.C
k (Fe) G f G Q ( )
N / t W.S.D.C
(1)
Kí hiệu “*” tương ứng với mẫu chuẩn
Np : số đếm trong vùng đỉnh năng lượng toàn phần;
tm : thời gian đo;
ti : thời gian chiếu;
td : thời gian rã;
S =1-exp(-λti) : hệ số bão hòa, hiệu chỉnh thời gian chiếu; (2)
D = exp(-λtd) : hệ số phân rã, hiệu chỉnh thời gian phân rã; (3)
C = [1-exp(-λtm)]/( λtm) : hệ số đo, hiệu chỉnh thời gian đo; (4) w: khối lượng mẫu phân tích, (g);
W: khối lượng nguyên tố làm chuẩn, (g);
K0,Au(a): hằng số k0 so với vàng của nguyên tố a
Gth : hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn neutron nhiệt;
Ge : hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn neutron trên nhiệt
: tỉ số thông lượng neutron nhiệt trên thông lượng neutron trên nhiệt;
th f e
0
(2 1)(0.55)
r
Q Q
α: hệ số lệch phổ neutron trên nhiệt;
: năng lượng cộng hưởng hiệu dụng trung bình (eV);
Np: hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần;
Từ phương trình (1) ta thấy có thể xác định
hàm lượng của nguyên tố a trong mẫu bằng
thực nghiệm
Sau đây, chúng tôi xin trình bày quy
trình phân tích hàm lượng sắt (Fe) trong
mẫu đất bằng phương pháp chuẩn hóa k0 -
INAA Sắt là nguyên tố phổ biến thứ 4
trong đất, có vai trò quan trọng đối với cây
trồng và môi trường sống Việc thừa hay
thiếu sắt trong đất đều ảnh hưởng trực tiếp
đến cây trồng, nguồn nước và sinh vật Do
đó cần biết chính xác hàm lượng sắt có
trong đất để con người có thể cải tạo đất tốt
hơn
3 Thực nghiệm và tính toán 3.1 Chuẩn bị mẫu
Từ tỉ số đầu ở vế phải của (1) ta thấy để xác định được thì cần biết w, W – khối lượng mẫu chuẩn và mẫu phân tích
Mẫu đất được lấy tại phường Bình Hưng Hòa, quận Bình Tân, thành phố Hồ Chí Minh Sau khi lấy mẫu đất cần phân tích mang về, ta tiến hành sấy khô, nhặt hết rễ cây, đá sỏi Dùng dụng cụ nghiền và rây thành bột mịn, trộn đều mẫu, sau đó lấy mẫu theo quy tắc hình vuông, đem cân mẫu
Trang 4Tạp chí Khoa học – Trường Đại học Phú Yên, Số 30 (2022), 53-59
56
94 Tạp chí Khoa học – Trường Đại học Phú Yên, Số 30 (2022), 91-97
chính xác, và cho mẫu vào bao nilông Tạo
10 mẫu cùng có khối lượng 100mg như
vậy
Chuẩn bị sẵn các nguồn chuẩn để xác
định hiệu suất ghi của detector
3.2 Lựa chọn phản ứng
Từ tỉ số thứ hai ở vế phải của (1) ta thấy
để xác định được thì cần biết k0,Au(Fe)
Muốn lựa chọn phản ứng ta phải dựa vào
tiết diện phản ứng và độ phổ cập % của
đồng vị ta muốn phân tích
Đối với sắt ta lựa chọn phản ứng: Fe58
(n, γ)Fe59 cho phép PTKH xác định hàm
lượng Fe trong mẫu đất (F De Corte & A
Simonits, 2003)
Vì tiết diện phản ứng bắt neutron lớn σ0 = 1.2
barn
Phản ứng này có mức năng lượng cộng
hưởng Er (Fe59 ) = 636 eV
Chu kỳ bán rã T1/2 = 44.5 ngày
Chọn mức năng lượng của gamma thoát ra
là: E = 1099.3 keV
Hằng số k0,Au (Fe59) = 7.77x10-5
3.3 Chọn thời gian chiếu, chờ, đo
3.3.1 Thời gian chiếu t i
Việc lựa chọn thời gian chiếu được coi
là hiệu quả nếu toàn bộ số nguyên tử của
nguyên tố cần phân tích đều được chiếu
Theo định luật phân rã phóng xạ:
S = N/N0 = 1 – exp(-ln2/T1/2.t)
Để mẫu đạt đến độ bão hòa, thời gian
chiếu ít nhất phải bằng 10 lần chu kì bán rã
Tuy nhiên đối với Fe58, tiết diện bắt neutron
cao nên thời gian chiếu giảm xuống đáng
kể
Thời gian bán hủy của Fe59 T1/2 = 44.5 ngày
(Handbook on nuclear activation cross,
1974) Chọn thời gian chiếu của monitor và
mẫu phân tích là 1 ngày Các mẫu này được
chiếu trong cùng điều kiện với monitor
3.3.2 Thời gian rã
Đối với phương pháp phân tích kích
hoạt dùng lò phản ứng có thông lượng neutron rất lớn thì mẫu sau khi chiếu xạ có hoạt độ cao, nếu đem mẫu đi đo ngay thì thời gian chết của detector lớn làm cho số đếm lệch đi nhiều Do đó phải để mẫu một thời gian rồi mới đem đo
Trong bài toán này, nguồn kích hoạt neutron là nguồn neutron đồng vị có thông lượng thấp, do đó mẫu sau khi chiếu xạ phải tiến hành đo ngay nếu không đồng vị phóng xạ sẽ rã hết
- Thời gian rã của monitor là 18h
- Thời gian rã của mẫu phân tích 12h
3.3.3 Thời gian đo
Thời gian đo cũng được chọn sao cho sai số thống kê là nhỏ Thông thường để đạt được sai số thống kê cỡ 1% ta phải chọn thời gian đo sao cho số đếm ghi nhận được vào khoảng 10 000
- Thời gian đo monitor là 6h
- Thời gian đo mẫu phân tích là 6h
- Thời gian rã của mẫu phân tích là 40 ngày cho mẫu đầu tiên Các mẫu được chiếu trong cùng điều kiện, cùng thời điểm
và cùng khoảng thời gian, từ đó xác định được giá trị cho các hệ số hiệu chỉnh S, C,
D trong tỉ lệ đầu của vế phải (1)
3.4 Thực nghiệm xác định các đặc trƣng của phổ neutron
Để xác định tỉ số thứ ba của vế phải thì cần biết và f – là các thông số đặc trưng của phổ neutron tại vị trí chiếu xạ
Sử dụng phương pháp “Tỉ số Cd” Ở đây
ta dùng 1 bộ monitor Zr, Mo mỗi monitor đặc trưng bởi năng lượng cộng hưởng hiệu dụng, được chiếu có bọc và không bọc Cd Mỗi monitor, tỉ số Cd được cho bởi:
Với Asp,i và AepiCd
sp,i là hoạt độ riêng của
epiCd i sp
i sp i
e i e
i th i th i
A I
G
G R
,
, ,
0 ,
, 0 ,
Trang 5Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 53-59 Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 91-97 5795
monitor i tương ứng chiếu trần và chiếu bọc
Cd Hệ số tính được từ biểu thức:
0,1 ,1 2
1 0,2 ,2
0.429 0.429
2 1
0.429
2 1
r
Cd Cd
Cd
r
Cd
E
R
E
- Ta chiếu Zr, Mo, hộp Cadimi
- Với Zr-96 chiếu trần và chiếu bọc Cd có
các hoạt độ riêng như sau: 4000 Bq/g và
1000 Bq/g
- Với Mo-98 chiếu trần và chiếu bọc Cd
có các hoạt độ riêng như sau: 5000 Bq/g và
2000 Bq/g
- Ta dùng phương pháp tỉ số Cd để tìm hệ
số α và f của lò
Zr: RCd,Zn = 1 + f/Q0,1 (α) = Atrần/ Abọc Cd =
4000/1000 = 4
Mo: RCd,Mo = 1 + f/Q0,2 (α) = Atrần/ Abọc Cd =
5000/2000 = 2.5
Với Q0,Zn , Er của từng chất tra bảng ta
được:
Q0,Zr = 251.6, Er1 = 338 eV
Q0,Mo = 53.1, Er2 = 241 eV
ECd = 0.55 eV Thay vào biểu thức trên ta được:
Ta sẽ giải được α = 0.07
Q0,Zr(α) = (Q0,Zr – 0,429) / ( Erα) + 0,429 / (( 2α + 1).0,55α)
= 167,5
f = (RCd,Zr – 1)Q0,Zr(α) = 502
3.5 Xác định đường cong hiệu suất của detector tại vị trí đo
Đặt lần lượt các nguồn chuẩn Cd109 ;
Mn54 ; Cs137 ; Co60 cách detector 10cm đo trong khoảng thời gian là 5 phút Hiệu suất của detector được tính từ công thức:
Np
t A
Np: Số đếm diện tích đỉnh toàn phần A: hoạt độ của nguồn
t: thời gian đo
: Xác suất phát gamma
Bảng 1 Số đếm đỉnh phổ tại các mức năng lượng tương ứng
Nguồn Năng lượng
(keV) Tg đo (s) Hoạt độ A (Bq) Số đếm Np Hiệu suất ghi p
Cs137 661.6 85% 300 3700 510 5.4x10-4
Mn54 834.8 99.98% 300 1387 360 8.65x10-4
Co60 1173.1 99.99% 300 2775 537 6.45x10-4
1332 99.98% 300 2775 601 7.22x10-4
Làm khớp các số liêu năng lượng theo
hiệu suất (khớp bậc 3) ta có hiệu suất ghi:
Log(εp) = - 11.79 + 11.44[LogEγ] –
4.85[LogEγ]2 + 0.72[LogEγ]3
3.6 Đo đạc và xử lý số liệu
Đem các mẫu đi chiếu Mỗi mẫu có khối
lượng là w=100mg Đặt 10 mẫu vào trong
ống chiếu kèm theo monitor là sợi dây Al-
0.1%Au có khối lượng 74mg 10 mẫu này
được chiếu trong cùng khoảng thời gian ti =
24h
Sau khi chiếu xong, để các mẫu rã trong thời gian là 12h và tiến hành đo lần lượt từng mẫu trong thời gian là 6h
Các điều kiện thực hiện là hoàn toàn giống nhau với các mẫu
Hệ số che chắn neutron nhiệt và trên nhiệt: Gth = 1; Ge = 1
Trang 6Tạp chí Khoa học – Trường Đại học Phú Yên, Số 30 (2022), 53-59
58Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 91-97 95
Bảng 2 Các hệ số tương ứng của mẫu đo (Fe) và mẫu so sánh(Au)
E (KeV) Q0 Er W (mg) T (giờ) K0
Au-198 411.8 15.7 5.65 74*0,1% 64.68 1
Fe-59 1099.3 0.975 637 100 1068 7.77.10-5
ti = 24h, ti* = 24h
td = 12h, td* = 18h
tm = 6h tm* = 6h
α = 0.07
f = 502 Thế các giá trị vào các biểu thức (2), (3), (4), (6) ta được bảng số liệu ở bảng 3
Bảng 3 Các hệ số hạt nhân dùng để tính hàm lượng nguyên tố Fe
Au-198 411.8 0.22678 0.8793 0.96853 13.92 6.84x10-3
Fe-59 1099.3 0.01546 0.9961 0.9981 0.727 24.89x10-3
Thay các giá trị trên thay vào biểu thức (1) ta thu được kết quả:
Bảng 4 Kết quả tính hàm lượng Fe trong mẫu đất được phân tích bằng k 0 -INNA
Mẫu NP Asp Np* Asp* (mg/g)
1 11000 331
6.2x108 2x109
0.57
Vậy hàm lƣợng của Fe 58 có trong mẫu đất là:
tb = 0.5854 0.301 (mg/g)
4 Kết luận
Phương pháp chuẩn hóa k0-INAA là
một phương pháp phân tích hiện đại và có
độ tin cậy cao Kết quả chúng tôi tính hàm
lượng của Fe từ 0.545μg/g đến 0.779μg/g
trong mẫu đất (bảng 4) Với kết quả này
chúng tôi thấy rằng hàm lượng sắt chiếm trong đất ở vị trí lấy mẫu khá thấp so với lượng sắt trung bình chứa trong đất (khoảng 5%), cần bổ sung sắt cho mẫu đất trước khi tiến hành trồng cây
Trang 7Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 53-59 59
Journal of Science – Phu Yen University, No.30 (2022), 91-97 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO
F De Corte and A Simonits (2003), Atomic Data and Nuclear Data Tables, Vol 85, pp 47 –
67
F De Corte and A Simonits (1987), The k 0 Standardization method: A move to the Optimization of Neutron Activation Anlysis, Agrégé Thesis, Gent University
F De Corte and A Simonits (1989), The k 0 -Measurements and related nuclear-data compilation for (n, γ) reactor neutron-activation analysis J Radioanal Nucl Chem
133:43–130
Handbook on nuclear activation cross – sections, Intenation atomic energy agency,Vienna,
1974
